chương 1, nhóm em trình bày một cái nhìn tổng quan về đề tài "Nghiên cứu và thiết kế hệ thống đo nồng độ cồn." Từ việc giới thiệu vấn đề về tình trạng sử dụng rượu, bia khi tham gia giao thông ở Việt Nam và những nguy cơ mà nó gây ra, nhóm chúng em đã đặt ra mục tiêu nghiên cứu và thiết kế một hệ thống đo nồng độ cồn. Các yêu cầu cơ bản cho hệ thống đã được xác định, với sự chú ý đặc biệt đến độ chính xác và tin cậy, thời gian phản ứng, tính di động và tiện ích. Chúng tôi đã giải thích lựa chọn phương pháp đo nồng độ cồn qua hơi thở và xác định phạm vi nghiên cứu và giới hạn. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài không chỉ giới hạn trong việc phát triển một sản phẩm có ứng dụng thực tế mà còn trong việc nâng cao nhận thức và trách nhiệm cá nhân đối với an toàn giao thông.
Hệ thống có tiềm năng đặc biệt trong việc giảm nguy cơ tai nạn và tạo ra một môi trường giao thông an toàn hơn. 4 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG 2. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống + Sơ đồ bao gồm các khối thành phần chính như sau: - Khối nguồn: Có chức năng cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống. - Khối xử lý trung tâm: Có chức năng thu thập và xử lý tín hiệu chung cho toàn hệ thống - Khối cảm biến: Có chức năng cảm biến qua hơi thở để xác định có nống độ cồn hay không , sau đó sẽ gửi tín hiệu tới khối xử lý trung tâm.
- Khối hiển thị: Sẽ hiển thị nồng độ đo được lên màn hình LCD và cảnh báo mức đo nồng độ cồn phụ thuộc vào mức độ cồn đo được. - Khối cảnh báo: Gồm đèn và còi báo nhằm cảnh báo khi kết quả đo được vượt quá nồng độ cho phép Giải thích sơ đồ khối: Khi hệ thống hoạt động, toàn bộ hệ thống được cung cấp năng lượng để làm việc từ khối nguồn. Khối cảm biến đo các giá trị môi trường sau đó gửi tín hiệu về khối xử lý trung tâm. Khối xử lý trung tâm Arduino nhận các giá trị, tín hiệu được gửi về từ khối cảm biến sau đó giải mã, xử lý từ đó đưa ra các lệnh điều khiển tới các khối hiển thị và 5 khối cảnh báo.
Các khối hiển thị và khối cảnh báo nhận lệnh từ khối xử lý trung tâm từ đó hiển thị thông giá trị đo cũng như cảnh báo nồng độ cồn đo được. Phân tích và lựa chọn cảm biến 2. Khối đo nồng độ cồn Trên thế giới hiện nay có rất nhiều phương pháp đo nồng dộ cồn như: phương pháp đo dùng cảm biến bán dẫn, phương pháp đo dùng phù kế, phương pháp đo dùng cảm biến fuel cell, phương pháp đo dùng cảm biến màng oxit bán dẫn. Trong những phương pháp trên phương pháp đo dùng cảm biến màng oxit bán dẫn được sử dụng thông dụng và phổ biến nhất.
Có thể kể đến một số loại cảm biến màng oxit bán dẫn trên thị trường hiện nay như: MQ3, AL6000, AL7000,… Hình 2.1 Module Al6000 Thông số Cảm biến MQ3 Cảm biến AL6000 Điện áp hoạt động 3.3 V Phạm vi sử dụng Nghiên cứu và học tập Công nghiệp Nhiệt độ hoạt động 10° − 70°𝐶 10 − 40C Thang đo nồng độ cồn 0,05 − 10mg / l 0 − 2mg / l Độ chính xác 5% 0,05% Giá thành Giá thấp Giá cao Bảng 2.1: So sánh thông số của cảm biến MQ3 và cảm biến AL6000 Ta có thể thấy rằng MQ3 có rất nhiều đặc điểm vượt trội hơn so với các dòng các cảm biến màng oxit bán dẫn khác trên thị trường. Nhiệt độ hoạt động và thang đo nồng độ cồn của MQ3 khá lớn rất phù hợp cho công việc nghiên cứu và học tập. Độ chính 6 xác cao, giá thành rẻ, nhỏ gọn và dễ dàng sử dụng rất phù hợp với điều kiện của học sinh, sinh viên. Vì những lý do đó mà nhóm chúng em quyết định lựa chọn cảm biến MQ3 để sử dụng.
Cảm biến MQ3 ❖ Cấu tạo bên trong: Cảm biến MQ3 được làm từ vật liệu SnO2. Vật liệu này có tính đẫn điện kém trong môi trường không khí sạch nhưng lại rất nhạy cảm với hơi cồn. Trong môi trường có nồng độ cồn càng cao, điện trở của cảm biến càng giảm. Cũng trong môi trường đó, khi nhiệt độ bề mặt cảm biến là 200C thời gian phát hiện nồng độ cồn kéo dài từ 3 – 5 phút.2 Hình thực tế và sơ đồ nguyên lý của cảm biến MQ3 Cảm biến MQ3 có 6 chân , vỏ và thân.
Mặc dù nó có 6 chân, nhưng ta có thể sử dụng 4 chân. Hai trong số chúng là hệ thống đốt nóng, mà ta gọi là H và 2 cái còn lại là để kết nối nguồn và đất hay A và B. ❖ Nguyên lý hoạt động: Nhìn tổng thể lớp cắt ngang bên trong MQ3, ta có thể thấy đó là một ống Alumina được bao phủ bởi SnO2 , đó là thiếc Dioxit. Và giữa chúng có một điện cực Aurum.
Chúng ta có thể thấy cách các dây được kết nối. Về cơ bản, ống alumina và cuộn dây là hệ thống sưởi ấm, các phần màu vàng, nâu và cuộn dây trong hình.3 :Các bộ phận bên trong MQ3 Nếu cuộn dây được làm nóng, gốm SnO2 sẽ trở thành chất bán dẫn, do đó có nhiều điện tích di chuyển hơn, có nghĩa là nó đã sẵn sàng để tạo ra dòng điện nhiều hơn. Sau đó, khi các phần tử rượu không khí gặp điện cực nằm giữa alumina và thiếc dioxit, ethanol sẽ đốt cháy thành axit axetic sau đó tạo ra nhiều dòng điện hơn. Vì vậy, càng có nhiều phần tử rượu, chúng ta sẽ nhận được nhiều hơn.
Do sự thay đổi hiện tại này, chúng ta nhận được các giá trị khác nhau từ cảm biến.4: Sự thay đổi điện trở của cảm biến theo giá trị nồng độ cồn Để chọn được đặc tính đầu ra của cảm biến là mối quan hệ của điện áp ra với nồng độ cồn ta tính như sau: - R0 là điện trở của cảm biến khi chưa có cồn trong không khí. 8 - Rs là điện trở của cảm biến khi có nồng độ cồn trong không khí. - Tính toán giá trị thực của nồng độ cồn từ giá trị áp đo được( bỏ qua sự ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm). Module cảm biến MQ3.5 : Module MQ3 Module cảm biến MQ3 thích hợp cho việc phát hiện nồng độ cồn trong hơi thở.
Phát hiện khí phát ra từ Etanol, Alcohol. Đặc điểm của module cảm biến MQ3: Có bốn chân, điện áp cung cấp là nguồn 5V, Dout đầu ra là tín hiệu số (0 và 1), Aout đầu vào là tín hiệu tương tự, đèn Led sáng khi phát hiện có khí, GND cấp điện cực âm, đọ nhạy cao và chọn lọc tốt với ethanol, bền và ổn định đáng tin cậy, độ nhạy cao và thời gian đáp ứng nhanh.6: Sơ đồ nguyên lý của module cảm biến MQ3 ❖ Giao diện 4 chân: - VCC: Cung cấp năng lượng đầu vào. - GND: Mặt bằng cung cấp. - DO: Đầu ra tín hiệu số.
- AO: Đầu ra tín hiệu tương tự. ❖ Tính năng, đặc điểm: - Hoạt động điện áp 5V. 9 - Có thể điều chỉnh độ nhạy đầu ra. - Đầu ra tương tự 0V – 5V.
- Phản ứng nhanh, ổn định, nhạy cảm với rượu cồn. - Có 2 tín hiệu ra: tín hiệu số (D0) và tín hiệu tương tự (A0). ❖ Dự liệu Kỹ thuật: - Nồng độ: 0,05 – 10 mg/l. - Điện áp hoạt động: 5V - Tiêu thụ hiện tại: 150 mA.
- Nhiệt độ hoạt động: −10 − 70°𝐶. Nguyên lý hoạt động của cảm biến MQ3 dựa trên sự biến thiên của điện trở, ở môi trường có nồng độ cồn càng lớn thì điện trở trong cảm biến sẽ càng nhỏ, tương ứng với điện áp ra của cảm biến gửi về vi điều khiển sẽ càng tăng. Với mỗi một giá trị điện áp ra sẽ tương ứng với một giá trị PPM tương ứng. PPM được sử dụng để đo nồng độ hóa học thường là trong dung dịch nước.
Nồng độ tan của 1 ppm là nồng độ chất tan của 1/1000000 dung dịch. - Ta có công thức chuyển đổi mg/l thành ppm như sau: 103. P(kg / m3 ) - Trong đó C1 : nồng độ rượu tính bằng ppm. - C2 : nồng độ rượu tính bằng mg/l.
- P : Khối lượng riêng của rượu ( kg / m 3 ). Điện áp(V) PPM Tỷ lệ 0 0 0 0,5 100 10 1 200 20 1,5 300 30 10 2 400 40 2,5 500 50 3 600 60 3,5 700 70 4 800 80 4,5 900 90 5 1000 100 Bảng 2.2: Đặc điểm mức độ nhạy 2. Khối hiển thị Màn hình LED 1602 giao tiếp I2c cho khả năng hiện thị đẹp, sang trọng , rõ nét với mức chi phí phù hợp, do sử dụng giao tiếp I2C ít tốn chân nên cho chất lượng đường truyền ổn định và rất dễ giao tiếp, LED thích hợp cho các ứng dụng tiêt kiệm năng lượng, môi trường hiện thị sáng hoặc các ứng dụng cần đến sự sang trọng.7: Màn hình LED16x2 Thông số kĩ thuật của màn hình LED 16x2: LCD 16x2 được sử dụng để hiển thị trạng thái hoặc các thông số: LCD 16x2 có 16 chân trong đó 8 chân dữ liệu (D0 - D7) và 3 chân điều khiển (RS, RW, EN). • 5 chân còn lại dùng để cấp nguồn và đèn nền cho LCD 16x2.
11 • Các chân điều khiển giúp ta dễ dàng cấu hình LCD ở chế độ lệnh hoặc chế độ dữ liệu. • Chúng còn giúp ta cấu hình ở chế độ đọc hoặc ghi. • LCD 16x2 có thể sử dụng ở chế độ 4 bit hoặc 8 bit tùy theo ứng dụng ta đang làm. Chức năng các chân của LCD: + Chân 1: (Vss) Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với GND của mạch điều khiển.
+ Chân 2: VDD Là chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với VCC = 5V của mạch điều khiển. + Chân 3: VEE là chân điều chỉnh độ tương phản của LCD. + Chân 4: RS Là chân chọn thanh ghi (Register select). Nối chân RS với logic “0” (GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi.
- Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” - read). - Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD. + Chân 5: R/W là chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write).